Redis分布式锁以及集群下分布式锁的实现与问题

1、 分布式锁的相关概念

​ 分布式系统的出现：单台机器的计算能力和存储都是有限的，之所以需要分布式系统，是为了摆脱单机资源的束缚，解决单台机器计算慢和存储少的问题。分布式计算框架，可以将复杂的计算任务分为小任务，交给不同的机器节点运算。分布式存储引擎，可以将大量的数据分成小部分数据，存储在不同的节点上。

​ 分布式锁的概念：分布式锁与线程锁、进程锁相对应。线程锁只在同一JVM进程中有效果，因为线程锁的实现在根本上是依靠线程之间共享内存实现的，比如synchronized是共享对象头，显示锁Lock是共享某个变量(state)。进程锁是为了控制同一操作系统中多个进程访问某个共享资源，因为进程具有独立性，各个进程无法访问其他进程的资源。分布式锁是当多个进程不在同一个系统中，用分布式锁控制多个进程对资源的访问。分布式锁是一种跨进程,跨节点的一种互斥锁,它可以保证多个机器节点对访问共享资源的排他性。

​ 分布式锁的特征：分布式锁与其他锁，既有相同点也有不同点，分布式锁的特征如下图所示：

2 、Redis实现分布式锁

​ Redis是一个单独的中间件，不同客户端可以往同一个Redis或者集群中加锁，这样就能保证加锁的地方或者是资源是相同的。并且由于Redis也是单线程的，同时也支持lua脚本，可以保证并发安全的问题，所以可以很简单的实现分布式锁的功能。

简单实现分布式锁：

客户端A:

127.0.0.1:6379> setnx lock 1 #使用setnx命令设置锁lock
(integer) 1  #设置成功
127.0.0.1:6379> del lock #释放锁lock
(integer) 1 #释放成功

客户端B:

127.0.0.1:6379> setnx lock 1 #尝试获取锁lock失败
(integer) 0 
127.0.0.1:6379> setnx lock 1 #客户端A释放后，获取lock锁
(integer) 1

​ 但是，这样设置分布式锁，当客户端A获取锁资源后，服务器宕机，就会出现死锁现象。未避免死锁，可设置锁的过期时间。

127.0.0.1:6379> set lock 1 ex 10 nx #设置锁lock的过期时间为10秒，防止出现死锁现象
OK

​ 获取锁资源的节点在锁过期时间之内未完成任务，会不断延长锁的过期时间，Redisson实现类自动续时的看门狗功能。

3 、Redis集群下的分布式锁

​ Redis单节点实现了分布式锁。如果你通过 Sentinel 有高可用，如果Master发生宕机，Master节点上锁信息没来得及去新的Master节点，就会发生锁丢失。在这种情况下，可能多个客户端拿到相同的锁，违反互斥性，Redlock 算法可以解决单点故障问题。

RedLock算法

RedLock需要5个完全独立的Redis服务器作Master。

使用步骤：

• 获取当前时间戳，单位是毫秒。
• 轮流用相同的Key和Value在5个Redis节点上请求上锁时，会有一个和总的锁释放时间比小的多的超时时间。
• 客户端通过获取所有节点获取锁后的时间减去第一步的时间戳，这个时间要小于TTL时间并且至少要有三个Redis实例获取锁，才能说明真正获取锁成功。
• 如果获取锁成功，则锁的真正有效时间是TTL减去第三步的时间差的时间。
• 如果获取锁失败了，向所有Redis节点发送锁释放命令。

缺点：

• 使用五个Redis服务器，成本高。
• RedLock属于重锁，效率低。
• 会出现分布式系统的NPC问题(Network Delay 、Process Pause、Clock Drift)。